Alto-falante MEMS All-Silicon: Design Monolítico Revolucionando Tecnologia de Áudio

Microfones condensadores electret tradicionais permaneceram por muito tempo os microfones mais usados, mas microfones de micro-electromechanical systems (MEMS) estão cada vez mais os deslocando. Alto-falantes de bobina de voz permaneceram por muito tempo os alto-falantes mais usados, mas alto-falantes MEMS algum dia os deslocarão? A startup baseada em Santa Clara, xMEMS, Inc., visa mudar o jogo e eclipsar alto-falantes de bobina de voz e híbridos MEMS implementando o alto-falante MEMS inteiro — atuador e membrana — em silício.

Testado e comprovado?

Fundada em outubro de 2017, a xMEMS está emergindo do modo stealth com a introdução do que afirma ser o primeiro alto-falante MEMS monolítico verdadeiro, entregando alta fidelidade, som full-bandwidth e baixa distorção harmônica para dispositivos de áudio pessoal inteligente como true wireless stereo (TWS) earbuds, in-ear monitors e headphones. Batizado Montara, o alto-falante MEMS tem sido amostrado para clientes selecionados desde abril. Amostras de engenharia agora são liberadas para mais OEMs e fabricantes, pedidos de risco são esperados para começar no final deste ano, e produção em massa planejada para abril de 2021.

Mike Housholder da xMEMS

Se Montara é o primeiro alto-falante MEMS “verdadeiro”, isso significa que existem alto-falantes MEMS “falsos”? A resposta é não, mas a xMEMS não brinca com a escolha de palavras. Substituir apenas um componente de um alto-falante com MEMS não é suficiente para torná-lo um alto-falante MEMS. Montara é “o primeiro alto-falante monolítico, single-die, all-silicon, então ele sai da fab como um alto-falante totalmente funcional”, disse Mike Housholder, VP de marketing e desenvolvimento de negócios na xMEMS, ao EE Times. “Não há etapa adicional de processo e montagem além do encapsulamento tradicional de semicondutor.”

Montara tem uma arquitetura baseada em células, e cada quadrado é um alto-falante individual. “Ele tem um atuador MEMS piezoelétrico e, no topo, há uma membrana de alto-falante gravada em silício.” A membrana de silício é empurrada para cima e para baixo pelo atuador MEMS piezoelétrico, gerando pressão de ar, que move a membrana e cria som. “Basicamente criamos um array de seis células para esta primeira implementação do Montara, e essas seis células se movem em conjunto para gerar o sinal de som.”

Por que MEMS?

A tecnologia de bobina de voz existe há um século e parece funcionar bem, disse Housholder. Alto-falantes de bobina de voz multi-componente, no entanto, requerem linhas de montagem de fábrica intensivas em mão de obra e alta variabilidade. Como alto-falantes de bobina de voz são semi-automatizados, “você verá em qualquer fábrica de alto-falantes centenas ou milhares de trabalhadores enrolando manualmente bobinas de voz em torno de ímãs, montando membranas de plástico ou papel. E sempre que humanos estão envolvidos, você tem variabilidade.” Ao fabricar earbuds, ele continuou, “trabalhadores têm que passar por um processo de calibração e matching para os alto-falantes para garantir que o alto-falante esquerdo e o direito soem aproximadamente iguais.” Esta etapa de calibração inevitavelmente leva tempo e dinheiro.

O que a xMEMS visa trazer à mesa é um alto-falante full bandwidth com “os benefícios de um processo completo de semicondutor: uniformidade, repetibilidade e consistência”, disse Housholder. “Temos uma guard band muito apertada, onde cada alto-falante performa muito similar ao outro, então podemos eliminar uma etapa de calibração e teste na linha de montagem de earbuds.”

Além disso, materiais piezoelétricos são resistentes a poeira e água, “então torna muito fácil fazer um alto-falante à prova d'água e poeira, sem qualquer revestimento especial ou mesh à prova d'água.” Basicamente, o chip como sai da fab é IP-57.

Alto-falante Montara da xMEMS

Hoje, todo alto-falante no mercado tem uma frequência ressonante dentro da faixa audível, mas essa ressonância cria um perfil de som não natural que precisa ser manejado durante a manufatura e o design do alto-falante e do earbud, explicou Housholder. Com alto-falantes de bobina de voz, “você tem que ou amortecer a ressonância ou projetar algum tipo de filtragem.” A frequência ressonante do Montara é “north of the audible frequency range (20 khz), então não há amortecimento especial, filtragem ou acomodação que precise ser feita para nosso alto-falante.”

E enquanto a maioria dos alto-falantes são colados ao housing do earbud ou colocados em algum sub-assembly, Housholder disse que Montara pode ser colado, anexado a um sub-assembly ou soldado em uma placa de circuito impresso, como qualquer outro componente semicondutor.

Qualidade de som em primeiro lugar

O consumo de mídia tornou-se uma rotina anywhere, anytime, e consumidores estão cada vez mais exigindo qualidade de áudio aprimorada. Segundo a empresa de pesquisa de mercado Canalys, remessas mundiais de dispositivos inteligentes excederão 3 bilhões em 2023 com a categoria de áudio pessoal inteligente crescendo mais rápido. Em 2020, dispositivos de áudio pessoal inteligente devem crescer 32,1% ano a ano, para 490 milhões de unidades.

A xMEMS se posicionará no mercado de rápido crescimento de alto-falantes near-field, e seus dois primeiros segmentos de produto serão TWS e in-ear monitors. “Temos que produzir som igual ou melhor que bobina de voz para realmente ser considerado para novos designs”, disse Housholder. “O que é único sobre alto-falantes MEMS piezoelétricos é onde seus alto-falantes tradicionais de bobina de voz mergulham e caem em frequências mais altas.” Com MEMS piezoelétrico, “você ganha mais SPL.” Também permite que OEMs moldem o perfil de som, porque “não introduz artefatos no som se você filtrar para moldar um som bright ou warm.”

A startup californiana também delineou a capacidade de substituir dois a quatro balanced armatures com um único Montara. E “como nosso alto-falante é monolítico, todo em silício, temos um tempo de resposta mecânica rápido. Onde isso pagará os maiores dividendos é em cancelamento de ruído ativo.”

Embora não revele o preço, Housholder disse que a empresa fez benchmark do Montara com soluções high-end off-the-shelf. “Seremos competitivos com os balanced armature speakers de hoje, e sentimos que estamos trazendo novos benefícios à mesa por preço igual.”

No roadmap

Diferentes configurações do Montara poderiam ser desenvolvidas para atingir um preço menor, disse Housholder. “Estamos olhando para uma configuração two-by-two cell com quatro células de alto-falante para atingir um preço menor e nos colocar no mid-range do mercado.” Como headphones têm um copo maior que vai sobre a orelha, a xMEMS disse que também está olhando para aumentar o número de células para gerar som maior.

O roadmap da startup vai além de hearables, pois “há um grande mercado para áudio non-near-field, para áudio open space, free space loudspeakers”, disse Housholder. Loudspeakers tocam smartphones, smart speakers, home entertainment soundbars, TVs e automotivo, onde ele vê oportunidade de remover peso significativo de alto-falantes. “Estamos olhando para diferentes arquiteturas para abordar a variedade do mercado de loudspeakers lá fora.”

Em julho, a xMEMS levantou pouco mais de $11 milhões. Tem um escritório filial em ZhuBei, Taiwan, e emprega 26 pessoas.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times.